他给白鹤滩水电站装上强大“心脏”

2021-08-09 10:21  来源:科技日报  浏览:  

历经10余年时间,前不久,位于四川省与云南省交界处金沙江上的白鹤滩水电站首批机组安全准点投产发电。作为目前全球在建规模第一、单机容量第一、装机规模第二大的水电站,这座巨型水电站被誉为世界水电行业的“珠穆朗玛峰”,电站首批机组成功投产发电,这离不开无数建设者的艰辛付出,白鹤滩百万千瓦发电机总设计师、东方电机有限公司(以下简称东方电机)副总经理张天鹏便是其中一员。

“要将40%以上的长江水资源调动起来,使其源源不断地输出清洁电力,金沙江畔迫切需要一颗强大的‘心脏’。而组建这颗‘心脏’的关键,就是研制可靠、稳定、高效的水轮发电机组。”张天鹏说,建造这100万千瓦发电机是场鏖战,不过他庆幸自己能参与其中。

为发热的水轮发电机降温

百万千瓦,不仅意味着大容量、大尺寸,也意味着发电机会产生更多的热量。

张天鹏表示,白鹤滩水电站的空气冷却式机组,如果无法将过剩的热量快速排出,就会影响机组安全稳定高效运行。因此,研制团队面临的最大难题,便是如何给发电机组降温。

或许有人说,降温有什么难的,增加风量不就可以了?难就难在,冷却风量在很大程度上,与发电机效率呈反比,风量过大就会影响发电效率。要想解决发电机的散热问题,还得从冷却技术入手。张天鹏和团队经过分析论证后发现,即使不惜成本对传统的定转子冷却结构进行改造,也很难达到要求。

随后,张天鹏和团队决定改变思路,在热源本体——磁极铜排直接冷却上“做文章”。2013年起,他们经过若干轮次的仿真计算、试验验证等,成功研发出磁极绕组空内冷技术,并将其成功应用在白鹤滩项目上。

张天鹏介绍,团队在磁极铜排上开设内通风孔,并新增内部冷却区,在大幅增加磁极绕组的散热面积、缩短传热路径的同时,提高了冷却空气的利用率,大幅降低了发电机冷却需求风量。

带队研发新型转子支架

发电机转子是发电机的转动部分,也是发电机最核心的部件,主要由转子支架、磁轭和磁极等部分组成,而转子支架是连接主轴和磁轭的重要部件。

从2014年开始,张天鹏带领团队提交了上百个设计方案、计算了海量的数据……最终在2017年3月,他和团队成功研制出了“平衡受力”的新型转子支架,经过对新型转子支架多轮计算优化设计后,最终确定了结构静强度等指标最优的转子支架方案,顺带斩获了相关国家发明专利。

“与当前70到80万千瓦等级巨型水电机组采用的转子支架相比,新型转子支架在性能上全面优于传统结构,各种工况应力水平降低了10%以上,具有更低的自身通风损耗特性,还大幅降低负压抽吸作用、机组油雾污染防治难度。”张天鹏说。

就当团队上下以为可以松一口气了,又一道难题迎面“走”来。针对白鹤滩发电机设计方案的分析报告给了张天鹏团队一个警告:如果转子圆度控制不好,机组可能会出现低频振动这一“天生缺陷”,会极大降低发电机机组的运行质量。而转子圆度控制的关键,就是磁轭冲片叠装。

据介绍,白鹤滩发电机磁轭高3.6米、直径超过15米,由16000余张60公斤重的磁轭冲片分900层逐层叠装而成,冲片的厚度公差在0.16毫米以内。

“不要小看这个尺寸,即使是0.01毫米的偏差,若控制不当,放大900倍后也是非常严重的偏差。”张天鹏说,项目指标要求需将磁轭圆柱偏差控制在1毫米内,偏心值不大于0.2毫米,远优于精品标准要求。

为了保证达到规定值,东方电机现场服务团队通过动态监测、反复计算等一系列手段保证磁轭叠装全程受控,力求将偏差控制在最小范围。在监测结果出来前,张天鹏内心十分忐忑。最终,一组喜人的数据被公布出来:磁轭圆柱度偏差为0.36毫米、偏心值0.02毫米。张天鹏悬着的心,终于可以放下。

“从2006年开始,我们团队就开始了白鹤滩百万千瓦电机机组的研究工作,在机组总体设计、水力、电磁、冷却、绝缘等9个技术领域进行了专项科研攻关,形成了一系列具有自主知识产权的核心技术。可以说,水电装备的核心技术已牢牢掌握在我们自己手中。”张天鹏说。

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